Quais são os padrões de projeto térmico para diodos em sistemas de conversão de energia elétrica?

一, Fundamentos de Projeto Térmico: Parâmetros Principais e Mecanismos de Falha
Definição dos parâmetros térmicos centrais
Temperatura da junção (Tvj): A temperatura média de uma junção PN, que é um indicador central para medir o estado térmico de um dispositivo. De acordo com a "Especificação Técnica SJ/T 2216-2015 para Fotodiodos de Silício", a temperatura de junção máxima permitida para diodos à base de silício é geralmente de 125-150 graus, e para diodos de carboneto de silício (SiC) pode atingir 175 graus.
Resistência térmica (Rth): parâmetro que descreve a eficiência da transferência de calor, dividida em resistência térmica em estado estacionário (RthJC, RthCH, RthHA) e resistência térmica transitória (ZthJC, ZthCA). Por exemplo, o RthJC do módulo IGBT Infineon FF400R12KE3G é 0,15K/W, indicando que para cada aumento de 1 grau na temperatura da junção, 6,67W de potência precisam ser dissipados.
Os principais modos de falha térmica dos diodos incluem:
Ruptura térmica: A temperatura da junção excede o limite do material, causando danos permanentes à junção PN.
Fadiga térmica: Ciclos térmicos repetidos podem causar rachaduras na camada de solda, como rachaduras por fadiga em interfaces de soldagem eutética em temperaturas que variam de -40 graus a 125 graus.
Desvio de parâmetro: A alta temperatura causa um aumento na queda de tensão de condução (Vf) e na carga de recuperação reversa (Qrr), por exemplo, o Vf dos diodos Schottky aumenta em 20% a 150 graus em comparação com 25 graus.
2, Processo de design dinâmico: controle de ciclo fechado-da seleção até a verificação
1. Critérios de seleção de dispositivos
Seleção de materiais:
Silício (Si): Adequado para média e baixa tensão (<600V), medium frequency (<100kHz) scenarios, with low cost but high thermal resistance.
Silicon carbide (SiC): With a withstand voltage of over 1200V and a 70% reduction in switching losses, it is suitable for high-frequency (>100kHz) and high-temperature (>ambientes de 150 graus). Por exemplo, o diodo SiC Schottky da série C3D melhora a eficiência em 4% na conversão 48V/12V DC-DC.
Nitreto de gálio (GaN): A frequência de comutação pode atingir o nível de MHz, mas requer um circuito driver correspondente e tem um custo alto.
Forma de embalagem:
Embalagem de montagem em superfície (SMD): como o diodo SMD SM4007, a área de dissipação de calor é três vezes maior que a embalagem DO-41, tornando-a adequada para layout denso.
Embalagem modular: como módulos PowerBLOCK, integrando vários chips e substratos de dissipação de calor, reduzindo RthJC em 50%.
2. Layout de PCB e design de dissipação de calor
Projeto de folha de cobre:
O circuito de alimentação principal adota folha de cobre de grande-área e vias térmicas multi-camadas (Ø 0,3-0,5 mm, passo 1 mm) são dispostas sob as almofadas de solda para reduzir a resistência térmica.
Exemplo: Em um conversor CC-CC de 12kW, a temperatura da almofada do diodo foi reduzida de 105 graus para 78 graus aumentando a densidade das vias térmicas.
Isolamento térmico e zona independente:
Mantenha uma distância maior ou igual a 3 mm dos componentes sensíveis à temperatura (como chips de controle) e, se necessário, slot para isolamento.
Evite o design de gargalo estreito para garantir uma difusão uniforme do calor.
3. Seleção do esquema de dissipação de calor
Efeito típico de redução da resistência térmica e nível de custo dos cenários aplicáveis ​​do método de dissipação de calor
Convecção natural de baixa potência (<100W) 20-50% low
Potência média de resfriamento de ar forçado (100W-5kW) 50-70%
Water cooled high-power (>5kW) 70-90% alto
Pontos de acesso locais (como MOSFETs/diodos) de tubos de calor/placas de equalização de temperatura são 60-80% médio-alto
Caso: Uma determinada estação de carregamento de veículos elétricos adota um esquema de placa resfriada a água + graxa de silicone condutora térmica, que reduz a temperatura de junção dos diodos SiC de 140 graus para 95 graus e aumenta a densidade de potência para 5 kW/L.
3, Simulação térmica e verificação de testes: Quantificando riscos de controle
1. Simulação colaborativa elétrica térmica
Ferramentas: SPICE (cálculo de perdas)+FloTHERM/CEPAK (simulação térmica).
processo tecnológico:
Insira a forma de onda de trabalho (I2F (rms), I2F (média), valor de pico V_R, fs).
Extraia Vf (@ ​​IF, Tj) e Qrr (@ dI/dt, V_R) do manual de dados.
Simule a distribuição da temperatura da junção, otimize o layout e o esquema de dissipação de calor.
Resultado: Um determinado inversor fotovoltaico reduziu o erro de previsão da temperatura da junção do diodo de ± 15 graus para ± 3 graus por meio de simulação.
2. Métodos de teste reais
Teste de aumento de temperatura:
Use um termopar próximo à parte inferior da almofada de solda e um termovisor infravermelho para auxiliar na localização do ponto quente.
Aumente a carga para aumentar a potência e registre a curva de mudança de temperatura da junção.
Envelhecimento em alta temperatura:
Opere em plena carga por 1000 horas a uma temperatura ambiente de 85 graus e monitore o desvio Vf (deve ser<5%).
Teste de ciclo térmico:
-Alterne a temperatura de 40 graus a 125 graus 1.000 vezes e verifique a integridade da camada de solda e da embalagem.
4, Casos de aplicação da indústria e conformidade padrão
1. Cenários típicos de aplicação
Estação de carregamento de veículos elétricos:
Adotando o módulo de diodo SiC MOSFET + SiC Schottky, dissipação de calor refrigerada a água, atendendo ao requisito de temperatura de junção menor ou igual a 125 graus no padrão IEC 61851-1.
Inversor industrial:
Usando o módulo IGBT FF400R12KE3G, emparelhado com dissipador de calor de aleta em forma de agulha, passou no teste de aumento de temperatura padrão UL 840.
Fonte de alimentação do data center:
The 48V/12V DC-DC converter adopts GaN devices and temperature equalization plates, meeting the DOE 2025 energy efficiency standard (peak efficiency>96%).
2. Conformidade com padrões internacionais
IEC 60747-1: especifica a temperatura máxima de junção e a faixa de temperatura de armazenamento dos diodos (Tstg=150 grau, limite de 672 horas).
JEDEC JESD51: definir métodos de teste de resistência térmica, incluindo testes de estado-estacionário (JESD51-1) e transitório (JESD51-14).
AEC-Q101: Os diodos de classe automotiva devem passar por testes de ciclos de temperatura de -40 graus C a 150 graus C para garantir confiabilidade de 10 anos.